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技術(shù)專(zhuān)題
集成電路熱管理
正如設(shè)計(jì)和制造電子設(shè)備的任何人都知道的那樣，該設(shè)備在開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。無(wú)論電流流過(guò)阻抗的何處，由于熱力學(xué)定律，無(wú)論是在組件，連接，布線還是在PCB中，能量損耗都會(huì)表現(xiàn)為熱量。損失越大，產(chǎn)生的多余熱量就越大。
雖然具有耐熱增強(qiáng)型封裝的組件可用于幫助管理產(chǎn)生的熱量，但電子設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是具有更緊湊的組件和更高的組件密度。集成電路封裝正變得越來(lái)越小以適應(yīng)這種趨勢(shì)，但是以較差的熱性能為代價(jià)。
在半導(dǎo)體器件中，組件柵極已縮小至納米尺寸，單個(gè)裸片現(xiàn)在可以包含由數(shù)十億個(gè)晶體管形成的數(shù)百萬(wàn)個(gè)柵極。摩爾定律已標(biāo)志著這種漸進(jìn)的小型化，并預(yù)測(cè)它將持續(xù)到不久的將來(lái)，直到基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)生變化為止。盡管每款新一代的更小，更快的設(shè)備都為設(shè)計(jì)人員提供了更多的功能，但它們?cè)谙嗤慕M件占位面積上卻產(chǎn)生了更多的熱量。
對(duì)半導(dǎo)體的影響
半導(dǎo)體器件的過(guò)度加熱會(huì)對(duì)器件的運(yùn)行產(chǎn)生若干影響。半導(dǎo)體材料本身的特性由于電遷移效應(yīng)而隨溫度變化。超出設(shè)備的溫度限制，設(shè)備的性能可能不符合其規(guī)格并產(chǎn)生意外的行為。半導(dǎo)體依靠鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)從PCB焊盤(pán)到管芯襯底的連接，如果暴露在高溫下，這些鍵合的完整性可能會(huì)受到損害。
另一個(gè)要考慮的因素是設(shè)備開(kāi)啟，關(guān)閉或受到脈沖負(fù)載影響時(shí)的熱應(yīng)力影響。由于所用材料的性質(zhì)及其與周?chē)h(huán)境的熱連接，因此，隨著溫度的變化，devipower線的快速循環(huán)是相當(dāng)緩慢的循環(huán)。另一方面，芯片在改變狀態(tài)時(shí)會(huì)經(jīng)受快速的溫度變化，例如電源線的快速循環(huán)。
半導(dǎo)體器件通常由結(jié)合到與銅基板相連的絕緣基板上的芯片組成。由于熱應(yīng)力會(huì)使半導(dǎo)體器件內(nèi)的不同層變形，因此該熱應(yīng)力會(huì)引起功率循環(huán)壽命故障。設(shè)備制造中使用的各種材料可能會(huì)以不同的速率擴(kuò)展。這可能導(dǎo)致材料破裂或分層，或者由于封裝材料的膨脹而在芯片上施加應(yīng)力。這樣的影響會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早失效，從而對(duì)可靠性產(chǎn)生不利影響。
這可以歸結(jié)為這樣的斷言：工作溫度越高，可靠性越低。器件的數(shù)據(jù)表將在特定溫度（通常為標(biāo)準(zhǔn)室溫）下提供預(yù)計(jì)的平均故障前時(shí)間（MTBF）。有一個(gè)普遍的（非常粗略的）經(jīng)驗(yàn)法則，工作溫度每升高10 o C，MTBF就會(huì)減半。這是基于化學(xué)的歷史證據(jù)，化學(xué)反應(yīng)的速率往往會(huì)隨著每10 o C的變化而翻倍，從而導(dǎo)致指數(shù)增加。
挑戰(zhàn)在于從半導(dǎo)體材料中提取熱能，并將其盡可能快而有效地傾倒到周?chē)h(huán)境中，以保持器件的可靠性。
設(shè)備等級(jí)
半導(dǎo)體器件的數(shù)據(jù)表將指定其工作溫度范圍。通常，這將是0 ò C至70 ?下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)產(chǎn)品或潛在-40 ò C至85 ?下使用工業(yè)級(jí)的一部分。如果需要，可以提供具有更大范圍的軍用規(guī)格零件，但單位成本更高。實(shí)際上，各種產(chǎn)品之間沒(méi)有什么區(qū)別。它們的制造余量意味著商業(yè)零件可以在軍用規(guī)格范圍內(nèi)工作。通常取決于對(duì)更高規(guī)格的組件進(jìn)行更嚴(yán)格的測(cè)試，以確保它們符合所需的操作領(lǐng)域。
絕對(duì)最大額定值（AMR）將定義工作極限，包括工作溫度和結(jié)溫。設(shè)備制造商基于在最壞的可能工作條件下提供設(shè)備可接受的可使用性來(lái)選擇這些值，這些條件包括電源電壓的變化，負(fù)載的變化，信號(hào)的變化以及允許的環(huán)境條件。AMR將取決于制造商指定的任何建議操作條件下的用戶。
熱阻
對(duì)于半導(dǎo)體器件，熱阻測(cè)量器件如何抵抗熱量從結(jié)到其外表面的流動(dòng)。用符號(hào)θ表示并以o C / W表示，電阻越低，器件將熱量從結(jié)點(diǎn)抽出并從可以應(yīng)用外部冷卻機(jī)制的器件中抽出的效率就越高。單位似乎有點(diǎn)奇怪。但是，這非常實(shí)用-單位是兩個(gè)熱量點(diǎn)之間的溫度差（以攝氏度為單位）（如果您有1瓦熱量）。因此140 o C / WθJA表示半導(dǎo)體結(jié)與周?chē)h(huán)境之間的溫度差為140 o C，在結(jié)上施加1瓦熱量。
通常，元件的數(shù)據(jù)表會(huì)指定結(jié)點(diǎn)對(duì)周?chē)h(huán)境的熱阻，稱為θJA?；蛘?，它可以被分解成從結(jié)到的情況下，指定θ熱阻JC，并從殼體到周?chē)h(huán)境，θ CA。
因此，可以使用器件的熱阻，器件內(nèi)消耗的全部功率以及最大環(huán)境溫度來(lái)計(jì)算最大結(jié)溫。
熱阻將取決于管芯周?chē)你~量，用于封裝的材料，材料的厚度，甚至管芯在設(shè)備中的取向。
值得一提的另一個(gè)因素是模具材料本身。與傳統(tǒng)的碳化硅基材料相比，允許無(wú)缺陷的砷化硼襯底的技術(shù)的引入使熱阻顯著降低，并且低于銅。但是，這樣的設(shè)備超出了普通電子工程師的能力和預(yù)算。
穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)注意事項(xiàng)
需要牢記的重要一點(diǎn)是，由于溫度過(guò)高而導(dǎo)致的故障機(jī)制不太可能由較高的穩(wěn)態(tài)溫度引起。它們更可能是由溫度梯度，溫度循環(huán)幅度的變化以及溫度變化率的影響更為明顯引起的。處理功率脈沖而不是穩(wěn)態(tài)功率的半導(dǎo)體器件更容易發(fā)生與熱相關(guān)的故障。這里的信息是設(shè)備的操作方式與其操作環(huán)境同樣重要。如果設(shè)備正在處理高頻脈沖信號(hào)，則與處理變化相對(duì)較慢的信號(hào)相比，它將需要更強(qiáng)大的熱管理解決方案。
隨著分立組件中半導(dǎo)體器件的日益使用以及將其封裝到越來(lái)越小的器件中的要求，熱設(shè)計(jì)的重要性日益提高。標(biāo)準(zhǔn)做法是對(duì)設(shè)備執(zhí)行穩(wěn)態(tài)熱分析，并根據(jù)結(jié)果結(jié)果提供計(jì)算出的冷卻水平，以達(dá)到所需的可靠性。但是，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際操作模式，瞬態(tài)熱分析可能會(huì)很好地確定該冷卻水平不足。問(wèn)題在于，穩(wěn)態(tài)熱分析要簡(jiǎn)單得多，而且要快得多。誘惑在于執(zhí)行穩(wěn)態(tài)分析，基于工程判斷添加安全系數(shù)，或帶走設(shè)備并在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視溫度，以查看長(zhǎng)期來(lái)看是否存在可靠性問(wèn)題。
散熱解決方案
散熱的典型起點(diǎn)是將PCB本身用作被動(dòng)冷卻方法。如果空間和組件放置允許，則使用具有低熱阻的銅PCB跡線是低成本的熱管理解決方案的理想選擇。小心地在半導(dǎo)體下方和周?chē)胖勉~多邊形會(huì)帶走器件的熱量，并將其散布到PCB的其余部分。如果該半導(dǎo)體器件是用位于裸片下方的大面積銅芯制造的，則這特別有效。管芯直接放在該凸塊上，并暴露在包裝的下側(cè)，以直接靠著PCB的表面放置，以最大程度地提高熱流。然而，更復(fù)雜的半導(dǎo)體器件是用堆疊管芯制造的，其中熱量提取會(huì)更加復(fù)雜。
明顯的不利之處是散發(fā)的熱量會(huì)影響板上的其他組件。相反，任何其他熱設(shè)備（例如功率FET）本身都可以將熱量散發(fā)到半導(dǎo)體中。整個(gè)電路板的熱分析對(duì)于確保整體熱管理解決方案有效是必不可少的。電路板任何關(guān)鍵區(qū)域都不會(huì)出現(xiàn)可能影響溫度敏感組件的熱點(diǎn)。
散熱器是用于為半導(dǎo)體器件提供局部散熱的另一種常用技術(shù)?；驹硎蔷哂薪饘俳Y(jié)構(gòu)，該金屬結(jié)構(gòu)具有盡可能大的物理附著到半導(dǎo)體器件的表面積。與依靠小面積的熱量散發(fā)熱量相比，熱量可以更有效地從設(shè)備散發(fā)出去。通常，熱界面材料用于將散熱器粘合到半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體本質(zhì)上是具有非常低熱阻的粘合劑。標(biāo)準(zhǔn)的散熱器使用鋁制結(jié)構(gòu)，散熱片上覆蓋有鰭片，以最大程度地增加表面積，并為感應(yīng)散熱器附近的熱空氣由于對(duì)流產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)提供路徑。當(dāng)空氣溫度變得足夠高于環(huán)境空氣溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。
如果僅散熱器無(wú)法提供所需的散熱水平，則使用風(fēng)扇在散熱器的散熱片上添加強(qiáng)制氣流將比僅依靠對(duì)流更快地用周?chē)諝獯鏈嘏目諝狻Ｖ匾氖且⒁?，該設(shè)備必須設(shè)計(jì)成允許不受阻礙的氣流從外部穿過(guò)散熱器，然后再?gòu)睦鋮s設(shè)備中流出，以發(fā)揮作用。一個(gè)缺點(diǎn)是這種布置可能將灰塵和污染物吸入設(shè)備，這可能會(huì)影響整體可靠性或潛在地降低散熱器的熱效率。
如果空間有限，另一種解決方案是熱管。作為現(xiàn)成的設(shè)備可用，熱管為將熱量從電路板上的熱點(diǎn)被動(dòng)轉(zhuǎn)移到較冷的位置提供了一種可靠且具有成本效益的方法。通常，熱管包含少量的吸熱液體，例如加壓的氮?dú)?，氨水或丙酮。流體吸收熱量并變成蒸氣，蒸氣沿著管道流向冷凝器。在這里，它凝結(jié)回液態(tài)，然后返回循環(huán)的熱源重新開(kāi)始。它的主要優(yōu)點(diǎn)是它是無(wú)源部件，沒(méi)有活動(dòng)部件，也沒(méi)有維護(hù)要求。然而，成本可能很高，并且在PCB上安裝可能具有挑戰(zhàn)性。
其他解決方案，包括液冷冷卻板或珀?duì)柼?yīng)冷卻板，都是可能的選擇。盡管如此，成本和復(fù)雜性仍顯著增加，對(duì)于許多消費(fèi)者而言，使它們成為目標(biāo)設(shè)備預(yù)算并不切實(shí)際。
PCB散熱建議
如果您可以將PCB用作無(wú)源散熱解決方案，請(qǐng)參考以下一些建議，以盡可能提高效率。
第一步，檢查設(shè)計(jì)并查看是否有減少熱量成分的選項(xiàng)。更改組件，重新設(shè)計(jì)電路或重新考慮電源通?？赡苁浅晒Φ牟呗?。預(yù)防總比治療好。
在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)使用盡可能大的銅面積。如果您不受電路板尺寸的限制，請(qǐng)考慮增加電路板面積以獲得更多的表面積以用于散熱。請(qǐng)勿用阻焊劑覆蓋將用于散熱的任何銅，因?yàn)檫@會(huì)增加整體熱阻，從而無(wú)法使用裸露的銅。利用多層板，在多層上使用區(qū)域，并將它們與大量過(guò)孔連接起來(lái)，以最大程度地提高它們之間的熱耦合。散熱通孔具有優(yōu)勢(shì)只要您有足夠的空間將它們?nèi)菁{在PCB布局中，它們就會(huì)增加板上銅的質(zhì)量和面積，從而降低熱阻并以較小的努力提供更好的散熱效果。這些散熱通孔需要放置在盡可能靠近任何熱源的位置，以使其有效。另外，請(qǐng)使用可以使用最厚銅的PCB。這直接影響熱量在整個(gè)板上的傳導(dǎo)速度。
為電路板提供自然通風(fēng)，使空氣可以自由地流過(guò)電路板的表面，理想的方式是允許在整個(gè)表面區(qū)域均勻加熱。因此，這可以最大程度地減少形成滯空空氣的任何熱氣和冷氣的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致冷卻不均。
如果您的PCB安裝在外殼中，請(qǐng)選擇一種由低熱阻材料制成的外殼，然后將PCB熱耦合到該外殼上。考慮使用鰭，脊或簡(jiǎn)單凸起的設(shè)計(jì)圖案來(lái)最大程度地增加外殼的表面積。如果設(shè)備的外殼允許，請(qǐng)垂直調(diào)整PCB的方向，以利用熱空氣上升和冷空氣下沉的自然趨勢(shì)，從而增加自然對(duì)流的氣流速率。
如果被動(dòng)氣流冷卻不足，請(qǐng)考慮添加一個(gè)風(fēng)扇，將環(huán)境空氣推到板上或?qū)峥諝饫?。理想情況下，應(yīng)將風(fēng)扇放置在任何自然對(duì)流通道的一端，以增強(qiáng)這種自然氣流，而不要逆著它流動(dòng)。確?？諝庾杂闪鲃?dòng)；如果將設(shè)備放置在柔軟的表面上會(huì)阻塞進(jìn)氣口，則在設(shè)備底側(cè)設(shè)置進(jìn)氣通道是沒(méi)有用的。另外，如果強(qiáng)制空氣中可能包含灰塵，或者如果設(shè)備將在可能存在空氣中顆粒物或污染物的地方運(yùn)行，請(qǐng)考慮使用某種類(lèi)型的過(guò)濾器。